автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Способы снижения динамических нагрузок во вращателе гидрофицированного шарошечного станка

На правах рукописи

ШМИДТ Владимир Элиасов^гар £ (> Д

СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ВО ВРАЩАТЕЛЕ ГИДРОФИЦИРОВАННОГО ШАРОШЕЧНОГО СТАНКА

Специальность 05.05.06- Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государ ственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техни ческом университете).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент О.В.Кабанов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.Д.Тарасов

кандидат технических наук Е.А.Русаков

Ведущее предприятие: АО «Институт Гипрони

кель».

Защита диссертации состоится 29 июня 2000 г в 12 ч на заседании диссертационного совета Д 063.15.12 пр] Санкт-Петербургском государственном горном институт! имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по ад ресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 29 мая 2000 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ I диссертационного совета /¡С-—

д.т.н., профессор —уУ И.П.ТИМОФЕЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Существенный вклад в исследования по технологии шарошечного бурения на карьерах и разработку шарошечных буровых станков внесли Н. В. Мельников, Б.А. Симкин, А.Ф. Суханов, П.П. Назаров, Б.Н. Кутузов, Н.Я. Репин, В.Д. Буткин, Г.М. Водяник, P.M. Эйгелес, A.A. Жуковский Н.И. Терехов, Ю.А. Петров, Е.А. Русаков, Г.М. Егоров, Л.Н. Кантович, Б.С. Маховиков, К.Г. Асатур, О.В. Кабанов, С.Г. Зарицкий. На настоящий момент в связи с тем, что большинство шарошечных буровых станков работающих на горных предприятиях нашей страны отработало свой ресурс. Необходимо обновление парка буровых станков. Вращатель бурового станка является основным агрегатом, определяющим мощность бурового станка и воспринимающим нагрузки, возникающие при разрушении породы. Работы по проектированию новых и усовершенствованию существующих приводов вращателей буровых станков для открытых горных работ обеспечивающие повышение надежности за счет использования современного гидрооборудования, анализа динамики вращателя и способов снижения динамических нагрузок на основе математического моделирования и стендовых испытаний на стадии проектирования, являются актуальными.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю доц. О.В. Кабанову, проф. Б.С. Маховикову, проф. К.Г. Асатуру, Д.В. Иртуганову, преподавателям и сотрудникам кафедры РСУ за внимание и помощь в проведении работы.

Цель работы. Целью исследования является повышение надежности работы станков шарошечного бурения с безредук-торным гидравлическим механизмом вращения буровой колонны, сокращение затрат на бурение и улучшение условий труда путем снижения динамических нагрузок во вращателе бурового станка.

Задачи исследования:

• разработать математическую модель вращательного меха низма станка с безредукторным гидроприводом.

• создать пакет компьютерных программ для исследовани: динамических характеристик гидрофицированнош механизм: вращения.

• методами компьютерного моделирования построить дина мические характеристики и определить параметры, сущест венно влияющие на качество переходных процессов при ра боте механизма вращения.

• разработать способы снижения динамических нагрузок i механизме вращения.

• получить экспериментальные динамические характеристик! на стенде и показать адекватность разработанной математиче ской модели опытному стенду.

• произвести оценку изменения надежности за счет сниженш динамических нагрузок.

Методика исследования включает использование матема тического анализа, методов теории авторегулирования, ком пьютерного моделирования процессов происходящих в эле ментах механизма вращения буровой колонны, а также экспе риментальные исследования на стенде для испытаний враща тельно-подающих механизмов буровых станков, разработан ном на кафедре РСУ, обработку результатов полученных н; стенде и их сравнение с теоретическими на основе теории по добия и обработки экспериментальных данных.

Личное участие автора в получении научных результа тов, изложенных работе, заключалось в анализе и обобщенш научного и производственного опыта шарошечного бурения, i анализе формирующихся на долоте нагрузок, составлении математических моделей вращателя станка, разработке способо! улучшения динамических характеристик привода, анализе результатов эксперимента и оценки надежности привода пр* снижении нагрузок предложенными способами.

Научная новизна.

Показано что вращательный механизм бурового станка, ;набженный безредукторным объемным гидроприводом, как збъект управления является колебательным устойчивым зве-юм.

Научно обосновано, что в случае применения объемного "идропривода, соединения валов электродвигателя с насоса и ~идродвигателя с буровым ставом должны быть жесткими, применение упругих элементов приводит к снижению надежности механизма.

Показано, что при применении гидропневмоаккумулятора имеется зона оптимальных настроек, обеспечивающая минимум амплитудных колебаний давления и момента на валу электродвигателя.

Установлено, что в случае применения объемного гидропривода с «мягкими» характеристиками можно обеспечить минимум динамических отклонений давления и момента, а скорость бурового става оставить на заданном оптимальном уровне для определенных горнотехнических условий.

Достоверность научных положений, выводов рекомендаций подтверждается современным уровнем теоретических и достаточным объемом экспериментальных исследований, адекватностью разработанных математических моделей натурному стенду для исследования динамики шарошечных буровых станков.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• Разработаны рекомендации, позволяющие упростить конструкцию механизма вращения бурового станка за счет устранения упругих элементов и редуктора.

• Предложена методика выбора параметров гидропневмоаккумулятора обеспечивающая минимум динамических забросов давления и момента.

• Разработан способ снижения динамической нагруженности станка за счет смягчения динамических характеристик гидропривода вращателя. Использование устройства обеспечиваю-

щего мягкие характеристики гидропривода позволяет получить минимальные динамические отклонения его параметров давления и момента и получить зону рабочих режимов, удовлетворяющую заданным режимным параметрам.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых и студентов в 1998, 1999 г.г. (Санкт-Петербург. СПГГИ).

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 5 печатных работ в сборниках научных трудов.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работе состоит из введения, 4 глав, заключения и основных выводов, приложений, списка литературы, включающего 62 наименования, изложена на 137 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований исходя из необходимости обновления парка буровых станков снижения стоимости бурения за счет увеличения надежности работы станка путем исследования динамических нагрузо! возникающих в гидроприводе и способов их снижения на стадии проектирования.

В первой главе выполнен аналитический обзор основны? работ посвященных технологии шарошечного бурения. Освещены тенденции развития вращательно-подающих механизмов буровых станков. Проведен анализ режимов работы шарошечного станка и формирующихся на долоте нагрузок, рас смотрены существующие схемы приводов вращателей и обоснована перспектива развития применения гидропривода н< вращении, с передачей крутящего момента на буровой став бе: редуктора, что позволяет прогнозировать повышение надеж ности и снижение динамических нагрузок в приводе.

На основе выполненного аналитического обзор; сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе разработана математическая модель гид-рофицированного вращателя с учетом жесткостей упругих звеньев и упругости самой рабочей жидкости. При помощи специально разработанного пакета программ для исследования динамики получены динамические характеристики привода вращателя. Исследовано влияние жесткостей упругих звеньев на динамические характеристики гидропривода вращателя. Предложены и исследованы следующие способы снижения динамических нагрузок:

в включение в гидропривод вращателя гидропневмоаккуму-лятора;

® изменение формы механических характеристик, путем включения в систему управляющего устройства.

В третьей главе рассмотрена методика моделирования динамических нагрузок на опытном стенде для исследования динамики вращательно - подающих механизмов буровых станков, подробно описан опытный стенд. Приведены осциллограммы динамических характеристик полученных на стенде. Показана адекватность разработанной во второй главе математической модели натурному стенду.

В четвертой главе на основе полученных результатов, оценено повышение надежности приводов при снижении динамических нагрузок.

Сформулированы основные рекомендации по исследованию динамики вращателей и оценки надежности на стадии проектирования.

Основные выводы отражают обобщенные результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение соискателем цели диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Механизм вращения станка шарошечного бурения с без-редукторным объемным гидроприводом является колебательным объектом, при этом соединения электродвигателя с насосом и гидромотора с буровой колонной целесообразно выполнять с помощью жестких муфт.

Приводы вращательных механизмов современных буровых станков состоят из большого количества элементов (узлов и деталей), сложны в конструктивном исполнении и работают е тяжелых динамических условиях. Для создания математической модели гидрофицированного вращателя и дальнейшего исследования способов снижения динамических нагрузок, необходимо разработать гидрокинематическую схему привода, провести инженерный расчет гидропривода вращателя, задавшись ориентировочной мощностью и диапазоном регулирования скорости вращения.

На рис. 1 показана предлагаемая гидрокинематическая схема механизма вращателя станка шарошечного бурения, состоящая из: электродвигателя 1, упругой муфты 2, регулируемого объемного насоса 3, предохранительных клапанов 4, гидромотора 5, упругой муфты 6, буровой колонны 7 с шарошечным долотом 8.

Математическое описание этой системы можегг быть представлено десятью дифференциальными уравнениями первого порядка, которые могут быть получены из уравнений движения, неразрывности и связей.

Для группы электродвигатель 1, упругая муфта 2, регулируемый объемный насос 3 получено уравнение асинхронного электродвигателя работающего в зоне линейности механической характеристики:

= О)

Рассматривая соединение как двухмассовую систему, используя уравнение Лагранжа и уравнения кинематических связей получены уравнения нагрузки электродвигателя и насоса:

= .Дф.О-к'-ке-шД^ (2)

1„^ = с,- й»,©« )-„.(,й-Л^Ь&.р. (3)

СП 2 • 7С • П

к 1ГМН

Рис. 1 .Механизм вращателя.

Для группы гидродвигатель 5, муфта 6, буровая колонна 7 уравнения можно записать в виде:

дХ 2-% . (5)

Для гидромотора и муфты 6, считая давление сосредоточенным параметром.

'кб = с2 • Дф2 (0+к - к 0) - ш1б (0) - с3 • Лф3 (о (6)

т

<Цфг(0 4)

Пренебрегая необратимыми потерями энергии при скручивании буровой колонны, уравнение движения и связей колонны примут вид:

= (8)

d(t)

^f-^W-OrfW (9)

d(t)

Замыкающим является уравнение неразрывности: Q(t) = Q.(t) - Q„(t)- Q„ <t) - QM4(t) При закрытом клапане 4 QM4=0, тогда

Еж(1(г) 2к 2%

В полученных уравнениях: M3(t) - момент на валу электродвигателя 1 ; ©э(0, ©„(t) -угловые скорости валов электродвигателя и насоса ; ©M(t), ^(t), oK7(t) - угловые скорости вала гидромотора 5, буровой штанги в месте ее крепления и шарошечного долота; PH(t) - давление в линии нагнетания;

A<Pi(t), A<pa(t), АфзСО, ~ углы деформации упругих элементов; Mc(t) - момент сопротивления вращению долота; ен -параметр регулирования насоса 3;

P«(t) - установка предохранительных клапанов (давление задается);

Cl, С2, сз - жесткости упругих элементов соединительных муфт и буровой штанги;

J3 - момент инерции ротора электродвигателя 1 и полумуфты 2; к', к" - коэффициенты необратимых потерь в муфтах 2 и 6; JH - моменты инерции полумуфты 2 и ротора насоса 3; qH, т)гмн, Лгмм - рабочие объёмы и гидромеханические КПД насоса и гидромотора;

JM - момент инерции ротора гидромотора 5 и полумуфты (6); Рсл - давление в сливной линии;

Jk6, JK7 - приведённые моменты инерции, сосредоточенные в верхнем и нижнем сечении буровой колонны.

- объем гидролиний, включая емкость насоса 3 и гидромотора 5;

Еж - приведенный модуль упругости жидкости;

ау- суммарный коэффициент утечек в клапанах гидромотора и

насоса.

Анализ решений системы уравнений (1)-(10), полученных при помощи специально созданного пакета компьютерных программ для комплексного исследования динамики вращателя показывает, что гидрофицированный механизм вращателя представляет собой колебательный, устойчивый объект со временем переходного процесса 1 секунда (рис.2). Максимальное амплитудное отношение момента электродвигателя составляет 0.76 от исходного значения момента или 0.35 от нового установившегося значения. По каналу давления соответственно имеем 0.58 и 0.22. При этом скорость гидромотора отклоняется на 0.2 и на новом установившемся режиме изменяется незначительно.

На рис. 3 показаны графики переходных процессов по каналам углы закручивания упругих элементов - нагрузка. Угловое деформационное перемещение буровой штанги ф3(0 носит колебательный затухающий характер, а колебания упругих элементов 2 и 6 (рис.1) незатухающий, с максимальной амплитудой 1.8 (соответственно 0.38 от нового установившегося значения) и остаточным амплитудным отклонением 0.14 или 0.1 от нового значения.

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6

I____-Ч>1(0

У , <

I

:

|||

0,0 0,5

1,0 I, с

1,5 2,0

0,0 0,5

1,0 с

1,5 2,0

Рис.2. Переходные процессы Рис.3. Переходные процессы режимных параметров при углов закручивания при е=0.7, Ме=1.3 и закрытом е=0.7, Мс=1.3 и закрытом

предохранительном клапане, предохранительном клапане.

Для оценки качества переходного процесса приняты наибольшие амплитудные отклонения параметров, колебательность и время переходного процесса. Возмущение системе задавалось скачкообразным изменением момента сопротивления на забое на 30 % от исходного установившегося режима.

Для определения влияния жесткостей упругих элементов на динамические характеристики гидропривода составлена программа для расчета на ПЭВМ.

Анализ влияния жесткостей упругих элементов на динамические характеристики производился путем построения переходных процессов при изменении жесткостей в широком диапазоне. При этом в работе показано, что:

- включения упругих муфт в систему гидропривода не приводят к улучшению динамических характеристик выходных параметров и одновременно вызывают высокочастотные колебания самих упругих элементов, что приводит к уменьшению надежности их работы и привода в целом, замена упругих

8 уравнений; С2=СЗ=1; Мс=1.3,е=0.7

,М3

ЗКе а

I-

га о

1.8

л 1.6

о.

1-

4>

г •

10

а.

<0 1>

С

!,£

0.1

4уравнения; Мс=1.3, е=0.7 Мэ

, Р»

0.0 0.5 1,0 1.5 2,0

Время

Рис.4. Переходные процессы режимных параметров при в-0.7, Мс=1.3 и исключении сь(8 уравнений).

Время

Рис.5. Переходные процессы режимных параметров при 8=0.7, Мс=1.3 и закрытом предохранительном клапане (4 уравнения).

муфт 2 и 6 жесткими компенсирующими соединениями, например, зубчатыми муфтами, не изменит характер переходных процессов и упростит математическое описание привода до шести дифференциальных уравнений;

■ при бурении взрывных скважин небольшой глубины упругостью бурового става можно пренебречь, с увеличением глу-эины бурения необходимо учитывать жесткость бурового гтава, так как она будет уменьшаться, и это будет влиять на напряжения возникающие в материале колонны и надежность работы бурового инструмента и самой колонны; - система уравнений без учета жесткостей упругих элементов в безразмерной форме будет выглядеть следующим образом:

(п)

т2^=м,-ка-8.(0.(1Ш-Рсл); (12)

Тз^ = (Р,.-Рсл)-Мс; (13)

си

(1Р (1) _ _

Т. —= к . 8 ю М-к -P.it)-(} (0; (14)

где Т], Тг, Т3 Т4 - постоянные времени; Рус - давление предохранительных клапанов.

А динамические характеристики этой системы при набросе нагрузки 30% представленные на рис.5 в сравнении с рис.2 подтверждают незначительное влияние упругих звеньев на динамику гидропривода (в случае короткого бурового става).

2. Применение гидропневмоаккумулятора снижает динамические нагрузки, при этом в плоскости конструктивных параметров гидропневмоаккумулятора имеется экстремум обеспечивающий минимальные динамические забросы давления в системе гидропривода и момента на валу электродвигателя.

Для определения влияния гидропневмоаккумулятора на динамические характеристики гидропривода представим его математическое описание в виде четырех дифференциальных

уравнений (11)-(14) с добавлением уравнения гидропневмоак-кумулятора (15) и учетом расхода через его дроссель (16):

Т^ = ОНОИ •^п(р>(.)-р(,)).^|(р„(«)-р(1))|; (15)

0„(1)=к5!8П.^(1)-Р(1)).1/|ЩО^Щ, (16)

где к - показатель адиабаты; - давление газа; QП1(t)- расход гидропневмоаккумулятора.

На основе предложенной математической модели вращателя, снабженного гидропневмоаккумулятором, и специально разработанной программы на ПЭВМ проведено исследование, давшее следующие результаты:

- динамические характеристики гидропривода существенно изменились рис. (7) по сравнению с не оснащенным гидропневмоаккумулятором приводом рис. (5). Уменьшилась величина максимального давления до Рм=1.37; момента до М=1.4 и колебательность;

- для заданных возмущающих воздействий и конструктивных параметров гидропривода существуют оптимальные параметры настройки гидропневмоаккумуляторов;

- на основании полученных результатов разработана методика выбора и настройки гидропневмоаккумулятора.

1. Задаться критерием качества переходного процесса, например, минимальной величиной отклонения давления от нового установившегося режима.

2. Определить среднее значение постоянных времени Тф = (Т1+ Т2 + Тз+Т4)/4, задать количество точек (V) и зависимости Т(у) и Кб (у) так, чтобы при У= Утах, Кб Кбшт- Например, Кб=1-Ь*У; Т=Тф/кб. Перебирая значения V от У,™ до Утах построить зависимость максимального отклонения параметров от аргумента V. Выбрать нужный параметр, например давление или момент на валу электродвигателя и определить величину V, соответствующую минимуму функции. Найти значения Кб и Т.

3. Построить графики переходных процессов при заданном возмущении. Если найденные значения Кб и Т обеспечивают требуемое качество переходного процесса, определить пара-

14

метры гидропневмоаккумулятора. Максимальную площадь проходного сечения дросселя можно определить из соотношения:

др

(17)

2 • 71 • Р

др

•Р

гогда Кб= 8

ДР •

Найти произведение Т • к6 =А, задаться величиной давления $арядки аккумулятора (ориентировочно можно принять Р3 = 1) я определить объем емкости.

А-к-Чм-©°

(18)

РКз -2-я:

На рис. 6 показана зависимость максимальных значений параметров от постоянной времени Т и коэффициента Кб. При этом кб=1-0.04 - У; Т=0.02/кб.

и 1,4 1.6 Время, с

Рис. 6.Зависимость максимальных значений параметров от аргумента V.

Рис.7. Переходные процессы при включении в гидропривод гидропневмоаккумулятора и 8=0.7, Мс=1.3.

Параметр V изменялся от 0 до 23 с единичным шагом. В качестве минимизирующего значения аргумента выбрано У=10; Кб=0.6; Т=0.33.

Для предлагаемого гидропривода вращателя площадь проходного сечения дросселя составила 8др=14.83 см2; параметр регулирования б^ = 0.6; объем емкости гидропневмоаккуму-лятора \¥о=605 см2.

3. Использование устройства обеспечивающего мягкие характеристики гидропривода позволяет получить минимальные динамические отклонения режимных параметров давления в гидросистеме и момента на электродвигателе и обеспечить зону рабочих режимов удовлетворяющих заданных горнотехническим условиям.

Для уменьшения жесткости механических характеристик привода, введен закон изменения параметра регулирования насоса:

«.=| а')

Если 8Н измеряется в относительных единицах, величина х должна иметь размерность давления. Безразмерное давление определяется формулой:

р = (20) 0 р ЧИЛГМ*

где расчетные значения, поэтому пренебрегая давлением в

сливной линии Р = М и

х = 8н-М (21)

Механическая характеристика привода примет вид:

ч х а -2-тс-Р

®и = —2- (22)

Чм Р Чи или в безразмерном виде с учетом (3):

= (23)

Ч„ Юмо Р0 Р Ч«-®мо 16

Лз выражения (22) получим:

х =---.

Следовательно, величина х является отношением суммы входной мощности гидромотора и мощности теряемой на дечки к теоретической подаче насоса при £„=1.

На рис. 8 показаны статические характеристики привода фивые 1, 2, 3, 4, построенные по формуле (23), и кривые на--рузки б, 7.

Исходные режимы при разных значениях параметра регу-пирования б определены значениями А1 и А2, которым соответствуют значения хц и хп. При увеличении нагрузки до зна-тения Мс2 рабочая точка Аг переходит в положение А4. При )том скорость гидромотора значительно уменьшается, что может привести к выходу привода из зоны рациональных параметров бурения.

Для сохранения угловой скорости бурового става в зоне рациональных режимов бурения при увеличении нагрузки следует изменить величину х. Это можно сделать, например, почав на вход управляющего устройства сигнал пропорциональный давлению в системе подачи. Блок схема такого устройства показана на рис.9.

Изменение параметра регулирования происходит по закону

Х * ¡г

ен = ^ ^, а величина х определяется произведением Мс еу или Рп-Бу, где

Р„ - усилие на буровой штанге;

;у - условная определяющая скорости гидромотора враща-геля.

При увеличении нагрузки до МС2 рис.8 характеристики 1, 2 переходят в положение 3, 4 и новые рабочие режимы определяются точками А5, А<з.

Графики А1 - Аз и Аг - А4 являются линиями рабочих режимов гидропривода соответствующих уставкам 81 и 82.

Таким образом, скорость гидромотора остается в заданном диапазоне, а механические характеристики «мягкими».

На рис.10 показаны динамические характеристики такогс привода, полученные на основе математической модели (11)-(14).

Анализ представленных динамических характеристик показывает, что переходные процессы в случае применения управляющего устройства значительно улучшилось. Сравнивая ( рис.5 получаем следующие результаты. Время переходного процесса сократилось с 1 секунды до 0.2. По каналу момеш электродвигателя - нагрузка максимальное амплитудное отклонение от исходного значения уменьшилось с 0.76 до 0.42 По каналу давления соответственно имеем уменьшение с 0.5£ до 0.35. По каналу скорость гидромотора, отклонение уменьшилось с 0.2 до 0.03. Колебания скорости насоса бывшие I пределах допустимой погрешности 5 % практически исчезли.

Рис.8. Статические характеристики привода.

Рис.9 . Блок схема управляющего устройства.

1,8 1,7 1,6

1 1'5

Ш 1,4

2

§. 1.з

С 1.2 1,1 1,0 0,9

0,0

0,2

0,4 0,6

Время, с

0,8

1,0

Рис.10. Переходные процессы режимных параметров гидропривода вращателя с управляющим устройством при

Мс=1.3.

На основе проведенного анализа и расчетов динамики в гидроприводе вращателя с включенным управляющим устройством можно сделать следующие выводы:

- Введение управляющего устройства обеспечивает существенное улучшение динамических характеристик гидропривода, как по времени переходного процесса, так и по величине максимальных амплитудных отклонений.

- Существенное улучшение динамических характеристик гидропривода позволяет прогнозировать повышение надежности привода вращателя.

- Такой вид характеристики позволяет работать вращателю бурового шарошечного станка в зоне оптимальных режимов бурения, не смотря на изменение нагрузки, что важно для обеспечения максимальной производительности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. При создании вращательных механизмов шарошечных механизмов буровых станков перспективным являете* создание безредукторных гидрофицированых вращателей.

2. При создании гидроприводов вращателей буровых стан кое целесообразно на основе предложенного пакетг компьютерных программ проводить предварительные исследования математической модели объекта.

3. В результате анализа определено, что математическое описание гидропривода вращателя без учета жесткосте{ упругих элементов можегг быть представлено 1 дифференциальными уравнениями.

4. В результате исследования определено, что при применен!« гидропневмоаккумулятора имеется зона оптимальны? настроек, обеспечивающая минимум амплитудных колебанш давления и момента на валу электродвигателя.

5. В случае применения объемного гидропривода с «мягкими) характеристиками возможно путем введения в гидропривод регулирующего обеспечить минимум динамически) отклонений давления и момента, а скорость бурового став; оставить на заданном оптимальном уровне для определенны: горнотехнических условий.

6. Экспериментальные исследования динамических процессов во вращателе бурового станка показали близкое сходство полученных результатов при компьютерном моделировании.

7. Представленные рекомендации по исследованию динамики вращателя включают в себя этапы проектирования и модернизации существующих приводов вращателя буровых шарошечных станков. И позволяет на стадии проектирования исследовать динамические характеристики, при необходимости добиться снижения динамических нагрузок в гидроприводе вращателя и оценить надежность предлагаемого варианта привода по сравнению с базовым.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Влияние автоматического управления процессом бурения на надежность инструмента. Л., // Машиностроение и автоматизация производства., Межвузовский сборник., Выпуск 18., СЗПИ., 1999., с. 93-98.

2. Математическое описание и динамические характеристики гидрофицированного механизма вращения бурового станка. Л., // Машиностроение и автоматизация производства., Межвузовский сборник., Выпуск 18., СЗПИ., 1999., с. 87-92., (соавторы О.В. Кабанов, С.Г. Зарицкий).

3. Влияние жесткостей упругих элементов на динамические характеристики гидрофицированного механизма вращения бурового става шарошечного станка. / В меж. вуз. сб. «Проблемы машиноведения и машиностроения», вып.20. - СПб.: СЗПИ, 2000., с. 85-92., (соавтор О.В. Кабанов).

4. Исследование приводов вращательно-по дающего механизма бурового станка ПБС-100 «Сихали». СПб., Ежегодная научная конференция молодых ученых., Тезисы докладов.,СПГГИ., 1997., с. 102.

5. Автоматизация вращательно-подающих механизмов буровых станков. СПб., Ежегодная научная конференция молодых ученых., Тезисы докладов., СПГГИ.,1998.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

1.1. Тенденции развития гидроприводов вращательно-подающих механизмов буровых станков крупного шарошечного бурения.

1.2. Теория разрушения горных пород шарошечным бурением.

1.3. Существующие схемы приводов буровых станков.

1.4. Анализ существующих методик расчета и поддержания рациональных режимов бурения.

1.5. Цель и задачи диссертационной работы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ГИДРОПРИВОДА ВРАЩАТЕЛЯ БУРОВОГО СТАНКА.

2.1. Разработка гидропривода и анализ статических характеристик.

2.2. Составление уравнений движения привода вращателя с учетом жесткостей упругих элементов.

2.3. Анализ динамики привода вращателя.

2.4. Исследование способов снижения динамических нагрузок в гидроприводе вращателя.

2.4.1. Исследование влияния жесткости упругих элементов на динамические характеристики гидропривода.

2.4.2. Исследование влияния гидропневмоаккумулятора на динамические характеристики гидропривода вращателя бурового станка.

2.4.3. Влияние формы механической характеристики гидропривода на динамику механизма вращения шарошечного бурового станка.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Моделирование динамических процессов на опытном стенде.

3.2. Описание испытательного стенда и исследование динамических процессов на модели бурового станка.

3.3. Подтверждение адекватности исследуемой математической модели опытному стенду.

4. ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ

ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЯ.

4.1. Оценка надежности привода вращателя при различных способах снижения динамических нагрузок.

4.2. Рекомендации по исследованию динамических нагрузок и способов ее снижения для гидрофицированых вращателей буровых станков на стадии проектирования.

Одним из самых трудоемких процессов в технологии открытых работ является бурение взрывных скважин. Затраты на буровые работы составляют до 30 % всех затрат, необходимых для добычи 1 кубического метра полезного ископаемого.

Существенный вклад в исследования по технологии шарошечного бурения на карьерах и разработку шарошечных буровых станков внесли Н. В. Мельников, Б.А. Симкин, А.Ф. Суханов, П.П. Назаров, Б.Н. Кутузов, Н.Я. Репин, В.Д. Буткин, Г.М. Водяник, P.M. Эйгелес, A.A. Жуковский Н.И. Терехов, Ю.А. Петров, Е.А. Русаков, Г.М. Егоров, JI.H. Кантович, Б.С. Маховиков, К.Г. Асатур, О.В. Кабанов, С.Г. Зарицкий.

На настоящий момент в связи с тем, что большинство шарошечных буровых станков работающих на горных предприятиях нашей страны отработало свой ресурс, необходимо обновление парка буровых станков. Вращатель бурового станка является основным агрегатом, определяющим мощность бурового станка и воспринимающим нагрузки, возникающие при разрушении породы. Математические модели приводов вращателей учитывающие конструктивные параметры на настоящий момент разработаны и изучены недостаточно. Для создания современных буровых станков и систем управления работой привода вращателя нужны теоретически обоснованные, надежные методы расчета нестационарного движения их элементов.

В связи с этим работы по проектированию новых и усовершенствованию существующих приводов вращателей буровых станков для открытых горных работ .обеспечивающие повышение надежности за счет использования современного гидрооборудования, 'анализа динамики вращателя и способов снижения динамических нагрузок на основе математического моделирования и стендовых испытаний на стадии проектирования, являются актуальными.

Сказанное выше определило необходимость выполнения данной работы, которая посвящена исследованию динамики вращателя и способов ее снижения с целью повышения надежности работы буровых шарошечных станков.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю доц. ОБ. Кабанову, проф. Б.С. Маховикову, проф. К.Г. Асатуру, Д.В. Иртуганову, преподавателям и сотрудникам кафедры РСУ за внимание и помощь в проведении работы.

Цель работы. Целью исследования является повышение надежности работы станков шарошечного бурения с безредукторным гидравлическим механизмом вращения буровой колонны, сокращение затрат на бурение и улучшение условий труда путем снижения динамических нагрузок во вращателе бурового станка.

Научные положения, выносимые на защиту.

• Механизм вращения станка шарошечного бурения с безредукторным объемным гидроприводом является колебательным объектом, при этом соединения электродвигателя с насосом и гидромотора с буровой колонной целесообразно выполнять с помощью жестких муфт.

• Применение гидропневмоаккумулятора снижает динамические нагрузки, при этом в плоскости конструктивных параметров гидропневмоаккумулятора имеется экстремум обеспечивающий минимальные динамические забросы давления в системе гидропривода и момента на валу электродвигателя.

• Использование устройства ^обеспечивающего мягкие характеристики гидропривода позволяет получить минимальные динамические отклонения режимных параметров давления в гидросистемГи^юмента на электродвигателе и обеспечить зону рабочих режимов удовлетворяющих заданным горнотехническим условиям. /

Методика исследования включает использование математического анализа, методов теории авторегулирования, компьютерного моделирования процессов ^происходящих в элементах механизма вращения буровой колонны, а также экспериментальные исследования на стенде для испытаний вращательно-подающих механизмов буровых станков, разработанном на кафедре РСУ, обработку результатов люлученных на стенде и их сравнение с теоретическими л /' на основе теории подобия ирбработки экспериментальных данных.

Личное участие автора в получении научных результатов, изложенных работе, заключалось в анализе и обобщении научного и производственного опыта шарошечного бурения, в анализе формирующихся на долоте нагрузок, составлении математических моделей вращателя станка, разработке способов улучшения динамических характеристик привода, анализе результатов эксперимента и оценки надежности привода при снижении нагрузок предложенными способами.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается современным уровнем теоретических и достаточным объемом экспериментальных исследований, а также адекватностью разработанных математических моделей натурному стенду для исследования динамики шарошечных буровых станков' ^ ——- ">

Научная новизна.

Показано что вращательный механизм бурового станка, снабженный безредукторным объемным гидроприводом, как объект управления, является колебательным устойчивым звеном.

Научно обосновано, что в случае применения объемного гидропривода соединения валов электродвигателя с насосом и гидродвигателя с буровым ставом должны быть жесткими. Примшши§^пругих ^лементов^риводит к сни^^ механизмЯГ"—

Показано, что при применении гидропневмоаккумулятора имеется зона оптимальных настроек, обеспечивающая минимум амплитудных колебаний давления ш/момента на валу электродвигателя.

Установлено, что в случае применения объемного гидропривода с «мягкими» характеристиками можно обеспечить^ минимум динамических отклонений давления и момента, а скоростн/оурового става оставить на заданном оптимальном уровне для определенных горнотехнических условий.

Практическая значимость работы:

• Разработаны рекомендации, позволяющие упростить конструкцию механизма вращения бурового станка за счет устранения упругих элементов и редуктора.

• Предложена методика выбора параметров гидропневмоаккумулятора, обеспечивающая минимум динамических забросов давления и момента. х

• Разработан способ снижения динамической нагруженности станка за счет смягчения динамических характеристик гидропривода вращателя. Использование устройства, обеспечивающего мягкие характеристики гидропривода, позволяет получить минимальные динамические отклонения его параметров давления и момента, и получить зону рабочих режимов, удовлетворяющую заданным режимным параметрам.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых и студентов в 1998, 1999 г.г. (Санкт-Петербург, СПГГИ). КЛР^иЩкМ

С^^л^би^А

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 5 печатных л г работ в сборниках научных трудов. р^/Ь^ ^ 8

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и основных выводов, приложений, списка литературы, включающего 62 наименования, изложена на 137 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков и 6 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе дан анализ работы привода вращателя шарошечного бурового станка. Изучены формирующиеся та долоте нагрузки, и проанализированы расчетные зависимости для определения этих нагрузок.

Приводы вращательных механизмов современных буровых станков сложны в конструктивном исполнении и работают в тяжелых динамических условиях. В связи с тем, что большинство шарошечных буровых станков на карьерах отработало свой ресурс необходимо создание новых современных буровых станков, а также модернизация существующих моделей, которые нуждаются в автоматизации эксплуатационных операций и повышении надежности.

Оценено влияние жесткостей упругих элементов на динамические характеристики гидрофицированного вращателя.

Гидропривод вращателя бурового станка работает в условиях быстроменяющихся, детерминированных и случайных нагрузок, что вызывает колебание давления, момента на валу электродвигателя и скорости гидромотора. Предложены способы снижения динамических нагрузок в приводе вращателя за счет включения в систему гидропневмоаккумулятора или регулирующего устройства. Использование предлагаемых способов позволяет прогнозировать повышение надежности работы станка.

Одной из причин тормозящих, создание новых надежных буровых станков и систем управления ими, является большая сложность и дороговизна промышленных или стендовых испытаний. Исследование работы станка и его динамических характеристик при помощи компьютерного моделирования на стадии проектирования имеет ряд преимуществ: возможность изменения характеристик нагружения и их повторения, удобная форма полученных результатов (графики, числовые таблицы), а также быстрота проведения исследований и малые материальные затраты по сравнению с промышленным экспериментом.

Теоретические исследования по созданию математической модели вращателя натурной модели станка показали ее сложную математическую структуру.

На основе теории подобия и моделирования показана адекватность разработанной математической модели вращателя натурной модели станка, результаты теоретических исследований хорошо согласуются с экспериментальными.

Объективной оценкой качества машины является надежность. На основе методики оценки надежности на стадии проектирования возможно с достаточной точностью оценить изменение надежности нового или модернизируемого привода по сравнению с базовым, что свою очередь будет говорить о целесообразности разработки.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. При создании вращательных механизмов шарошечных буровых станков, перспективным является создание безредукторных гидрофицированых вращателей.

2. При создании гидроприводов вращателей буровых станков целесообразно на основе предложенного пакета компьютерных программ проводить предварительные исследования математической модели объекта.

3. В результате анализа определено, что математическое описание гидропривода вращателя без учета жесткостей упругих элементов может быть представлено 4 дифференциальными уравнениями.

4. В результате исследования определено, что при применении гидропневмоаккумулятора имеется зона оптимальных настроек, обеспечивающая минимум амплитудных колебаний давления и момента на валу электродвигателя.

115

5. В случае применения объемного гидропривода с «мягкими» характеристиками, возможно путем введения в гидропривод регулирующего воздействия обеспечить минимум динамических отклонений давления и момента, а скорость бурового става оставить на заданном оптимальном уровне для определенных горнотехнических условий.

6. Результаты полученные при экспериментальных исследованиях динамических процессов во вращателе бурового станка показали близкое сходство с результатами компьютерного моделирования.

7. Представленные рекомендации по исследованию динамики вращателя охватывают этапы проектирования и модернизации существующих приводов вращателя буровых шарошечных станков, позволяют на стадии проектирования исследовать динамические характеристики и при необходимости добиться снижения динамических нагрузок в гидроприводе вращателя и оценить надежность предлагаемого варианта привода по сравнению с базовым.

1. Асатур К. Г., Маховиков Б. С., Кабанов О. В., Зарицкий С. Г. Математическое описание привода вращательно-подающего механизма бурового станка. - Записки ЛГИ., 1983. Т. 97. С. 113-118.

2. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. Пер с английского под ред. Гнеденко Б.В. М., Советское радио, 1969.- 488 с.

3. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. М., Машиностроение, 1979., 702 с.

4. Башта Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. М., Машиностроение 1974, 606 с.

5. Буткин В.Д. Исследование основных параметров режима шарошечного бурения взрывных скважин на открытых горных работах. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М., ИГД. Им. A.A. Скочинского, 1964.

6. Буткин В.Д. Методы определения оптимальных режимов шарошечного бурения на карьерах. Научные сообщения ИГД им. A.A. Скочинского, 1977, вып. 153.

7. Буткин В.Д. Об оптимальной величине углубления долота за один оборот для различных горных работ. Техника и технология буровзрывных работ, вып. 1, 1973.

8. Буткин В.Д. Опыт совершенствования технологии бурения на разрезах. М., ЦНИЭИуголь, 1975.

9. Буткин В. Д. Проектирование режимных параметров автоматизированных станков шарошечного бурения. М.: Недра, 1979. - 208 с.

10. Буткин В.Д. Угольным карьерам новую буровую технику. - Уголь, 1968, №7.

11. Водянник Г.М., Рылев Э.В. Новые бурильные машины вращательного действия. Киев, Техника, 1979. - 26 с.

12. Голушков М. И., Рыбкин Ю. П. К вопросу автоматизации режимов вращательного бурения. Труды НИИ Гипроникель, 1970, вып. 45. - с. 1017.

13. Гольд М.А., Гордеев В.П., Лукьянов А.Н., Филиппов Т.С, Оптимизация режимов бурения взрывных скважин шарошечными станками тяжёлого типа. Труды института "Гипроникель", вып. 43, Л., 1969.

14. Гордеев В.П. Комплексное исследование и оптимизация процесса бурения взрывных скважин мощными шарошечными станками. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Иркутск, ИЛИ., 1970.

15. Докукин A.B. Проблемы создания автоматически регулируемого привода горных машин и комплексов. Сб. Теоретические и экспериментальные исследования регулируемого привода шахтных забойных машин. М., Наука., 1966., с. 5-29.

16. Егоров Г. М., Русаков Е. А., Рыбкин Ю. П. Результаты исследований гидрофицированного вращательно-подающего механизма бурового станка тяжелого типа. Начные труды ин-та Гипроникель, Л.,1981, с.46-56.

17. Егоров Г.М., Мороз В.М., Петров Ю.А., Русаков Е.А. Опыт и перспективы проектирования и создания буровых шарошечных станков институтом Гипроникель. Научн. тр. ин-та Гипроникель, Л., 1984, с.35-48.

18. Жуковский А. А. Приводы и средства автоматизации буровых станков. Обзор. Москва, 1980.

19. Жуковский A.A. Разработка и исследование системы автоматизации процесса шарошечного бурения взрывных скважин на открытых горных разработках. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Свердловск, СГИ, 1967.

20. Зарицкий С. Г. Определение критериев подобия для создание модели вращательно-подающего механизма бурового станка. Механизация горных работ наугольных шахтах, Зап. Тул. ПИ., Тула, 1987., с. 34-37.

21. Зарицкий С. Г., Кабанов О. В., Соловьев В. С., Русаков Е.А. Исследование динамики привода исполнительного органа гидрофицированного бурового станка с применением ЭВМ. Сборник научных трудов.: Л.: Гипроникель, 1989.

22. Кантович Л. Н., Дмитриев В. Н. Статика и динамика буровых шарошечных станков. М., Недра, 1984. - 200 с.

23. Кирпичев М.В. Теория подобия. М.5 АН СССР, 1953.

24. Ковалевский В.Ф. Теплообменные устройства и тепловые расчеты гидропривода горных машин. М., «Недра», 1972.

25. Козловский Е. А. Гафиятуллин Р. X. Автоматизация процесса геологоразведочного бурения. М.,Недра, 1977.

26. Кузнецов А.В., Зибарев А.И., Ильменский В.В. О количественной оценке надежности гидроэлементов буровых станков. Новое горное оборудование для карьеров и подземных рудников цветной металлургии. Сборник научных трудов. Л., Гипроникель, 1981,с. 66-72.

27. Кутузов Б.Н. Теория, техника и технология буровых работ. М., Недра, 1972.

28. Кутузов Б.Н., Шмидг Р.Г. Шарошечное бурение скважин на карьерах и пути повышения его эффективности. М., "Недра", 1966.

29. Лебедев А.Н. Основы теории моделирования. Пенз. НИ, Пенза, 1977. 80с.

30. Махно Д.Е., Шадрин А.И. Надежность карьерных экскаваторов и станков шарошечного бурения в условиях Севера. М., «Недра», 1976, 166 с.

31. Маховиков Б.С., Асатур К.Г., Кабанов О.В. Гидравлика и гидравлические машины. Л., ЛГИ., 1986.

32. Маховиков Б. С. Динамика приводов горных машин с гидротурбинными двигателями и стабилизация их нагрузок. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МГИ, 1988.

33. Маховиков Б. С. Регулируемый привод исполнительного органа механогидравлического комбайна. — Изв. вузов. Горный журнал, 1983, №12, с. 53-59.

34. Маховиков Б. С., Кабанов О. В., Зарицкий С. Г. Механико-технологический анализ принципов автоматического управления буровыми станками. Изв. Вузов. Горный журнал, 1983, № 9, с. 95-100.

35. Мельников Н.В. Будущие горные разработки. Горный журнал,1974, №2.

36. Мельников Н.В., Симкин Б.А. Обоснование и выбор основных параметров новых буровых станков для открытых работ. М., Углетехиздат, 1957.

37. Мельников Н.В., Арсентьев А.И., Газимов М.С., Симкин Б.А. Теория и практика открытых горных работ. М., «Недра», 1973

38. Мельников Н.В., Симкин Б.А., Винницкий К.Е. Техника открытых работ за рубежом. М., Углетехиздат, 1956.

39. Методика расчета величин гарантийных сроков (гарантийных наработок) промышленных изделий., М., Изд. стандартов, 1975.

40. Наринский Н.Э. Основы выбора параметров и конструирования мощных станков шарошечного бурения скважин в горнорудной промышленности.

41. Автореф. диес. на соиск. уч. степ, доктора техн. наук М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1979.

42. Певзнер Л.Д. Надежность горного электрооборудования и технических средств шахтной автоматики. М., «Недра», 1983.

43. Перетолчин В.А. и др. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах . -М., "Недра", 1993.

44. В.С Поляков, И.Д. Барбаш, O.A. Ряховский. Справочник по муфтам.- Л.: Машиностроение, 1979, 344с.

45. Подэрни Р. Ю. Горные машины и автоматизированные комплексы для орткрытых работ. Москва, Недра, 1979.

46. Русаков Е. А., Мороз В. М. Состояние технический уровень перспективы развития буровой техники для открытых работ. Научные труды института Гипроникель, Л.,1987, с. 10-18.

47. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: Справочник. — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1995.-448 с.

48. Симкин Б.А., Григорьев В.К. Основные направления развития буровой техники. Взрывное дело. №77/34,- М., Недра, 1976.-172 с.

49. Симкин Б.А. Технология и процессы открытых горных работ., М., «Недра», 1970

50. Смирнов В.И. Курс высшей математики. 4 издание М.,ГТТИ, 1933, Т.2.-522 с.

51. Суханов А.Ф., Кутузов Б.Н., Шмидт Р.Г. Вибрация и надежность работы станков шарошечного бурения. М., «Недра», 1967, 127 с.

52. Терехов Н. И., Авраамов И. С., Гаврилов П. Д., Кунинин П. Н. Регулирование и управление режимами бурения взрывных скважин. Л.: Недра, 1980. - 223 с.

53. Тимошенко. С П. Устойчивость стержней пластин и оболочек. М.: Наука, 1071.807 с.

54. Федоров B.C. Практические расчеты в бурении. М., «Недра», 1966.

55. Чигинцев В. Ф. Исследование и обоснование оптимальных параметров приводов станков шарашечного бурения. Автореферат диссертации на соискание уч. степени кандидата техн. наук, Свердловск. Свердловский горный институт, 1975.

56. Шестимирова В.Н., Антошенков В.Н. Состояние и тенденции развития станков ШБ. М., ЦНИИТЭНтяжмаш, 1989.

57. Эйгелес Р. М. Разрушение горных пород при бурении. М., Недра, 1971.

58. Эйгелес Р. М., Стрекалова Р. В. Расчет и оптимизация процессов бурения скважин. М., Недра, 1977. 200 с.

59. Everell M.D. Drill automationa step into the future. "Canadian mining J.", 1974., №5.

60. Li Та M. Rotary drilling with automated controls — new force in open — pit blast hole production. "Coal Age", 1979., №8.